JP2013542558A - アイドル・スタート・ストップ車両のための改良されたセパレータ、電池、システム、及び方法 - Google Patents
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Abstract
【選択図】図1
Description
本出願は、2010年9月22日に出願されたWhear等に対する米国仮特許出願第61/385,285号及び2011年9月9日に出願されたWhear等に対する第61/532,598号の優先権及び利益を主張する。これらは各々、引用により本願にも全体的に含まれるものとする。
また、本発明の好適な改良されたセパレータは、ISS電池において特別な用途を見出すことができるが、他の電池又はデバイスにおいても使用可能である。
2.泡領域を凝固させ、積層物マトリクスを逃がすことを可能とするための穿孔
3.凝集剤(nucleating agent)の追加、
4.形成中の積層物の構造の変更
5.積層構造に対するポリマー繊維の追加
6.湿潤剤の追加、
7.ガス泡が構造に付着する可能性を低くするような積層物の繊維構造上の方位の変更
8.単に泡付着の場所を少なくするような構造の厚さの最小化
2009年10月20日に出願された「LEAD ACID BATTERY SEPARATOR WITH CROSS RIBS AND RELATED METHODS」と題する米国特許出願第61/253,096号、及び2010年10月14日に出願された「BATTERY SEPARATOR WITH CROSS RIBS AND RELATED METHODS」と題する係属中の米国特許出段第12/904,371号の様々な構成及び方法の負側横断リブを有するセパレータの完全な記載及び図面は各々、引用により本願にも全体的に含まれるものとする。
少なくとも選択した実施形態によれば、鉛酸電池セパレータにPIMS鉱物を組み込むこと、好ましくは魚骨から得られたPIMS鉱物を組み込むことによって、鉛低減が達成される。
a.低いか又は更に低い電気的抵抗(ER)− 回生制動中の電荷受容及び内燃機関の再始動中の電力送出を最大限とするため、セパレータのERを最小限に抑えることが重要であり得る。セパレータのERは以下の方法によって低下させることができる。
2.泡領域を凝固させ、積層物マトリクスを逃がすことを可能とするための穿孔
3.凝集剤の追加、
4.形成中の積層物の構造の変更
5.積層構造に対するポリマー繊維及び/又は整形ポリマー繊維の追加
6.湿潤剤(界面活性剤)の追加、
7.ガス泡が構造に付着する可能性を低くするような積層物の繊維構造上の方位の変更
8.単に泡付着の場所を少なくするような構造の厚さの最小化
少なくとも選択した実施形態によれば、鉛酸電池セパレータにPIMS鉱物を組み込むこと、好ましくは魚骨から得られたPIMS鉱物を組み込むことによって、鉛低減が達成される。
サンプルB、C、及びDの粉末化(整った)サンプルは、Pb分析溶液内で容易に濡れ、浸漬した。粉末と溶液との完全な接触が観察された。サンプルE、F、及びGセパレータ膜サンプルは、典型的な鉛酸電池セパレータに利用されるものと同等のレベルで、市販の界面活性剤で処理した。
全てのセパレータ膜サンプルは、Pb分析溶液内で容易に濡れ、浸漬した。表面と下方の孔との完全な接触が観察された。
サンプルEからMのセパレータ膜サンプルは、典型的な鉛酸電池セパレータに利用されるものと同等のレベルで、市販の界面活性剤で処理した。
全てのセパレータ膜サンプルは、Pb分析溶液内で容易に濡れ、浸漬した。表面と下方の孔との完全な接触が観察された。
Pb分析試験方法はICP/MS EPA方法200.8により実行した。全てのサンプルは48〜72時間、攪拌せずに静止浸漬した。露呈後の全サンプルのリンのレベルを試験し、最大許容可能レベル未満であることがわかった。
・現在のセパレータ生成プロセスとコンパチブルな物質を電池セパレータに組み込んで、溶液内のPbを系統的に結合し、電池の使用寿命にわたって水和短絡の発生を低減する。
−魚(低〜超低pHで最も効率的)
・骨
・鱗
−甲殻類(魚粉と同様の機能範囲)
・外骨格
−甲殻類動物(pH8.5超の基本条件で最も効率的)
・外皮
−牛(魚粉と同様の機能範囲)
・骨
−ピート(中性pH付近の機能範囲)
・腐植土、腐食した植物性物質。
−茶殻(中性pH付近の機能範囲)
・茶の製造の副生成物、茎、不要の茶葉。
−人により食べられないと見なされることが多い小型の骨の多い魚。
−甲殻類動物は少量の要素を構成する場合がある。
−魚粉は本質的に、精製、洗浄、乾燥、及び細砕後の骨及び鱗である。
・典型的に4〜6%の間の残留オイルが魚粉に残っている。
・魚粉は鉱物アパタイトw/配合から成る。
・Ca10-xNax (PO4)6-x(CO3)x(OH)2
(1)横断方向リブの高さ− 好ましくは約0.02から0.30mmの間であり、最も好ましくは約0.075から0.15mmの間である。
(2)シート(基板)の厚さ− 好ましくは約0.065から0.75mmの間である。
(3)全体的な厚さ(正側リブ+バックウェブ+負側リブ)− セパレータの全体的な厚さは約0.200から4.0mmの間であると好ましい。
(4)質量低減− 好ましくは5%よりも大きく、更に好ましくは10%よりも大きい。横方向のリブは、セパレータの横断方向の剛性を増大させ、バックウェブ又は基板の厚さを小さくすることができる。横断方向の剛性を維持し増大させながら、バックウェブ及び正側リブの双方から質量を除去することができる。また、横断方向の負側リブはセパレータの全体的な厚さに寄与する。従って、負側横リブの高さによって、長手方向の正側リブの高さを直接小さくすることができる。
(5)セパレータのタイプ− セパレータは、微小孔又はマクロ孔熱可塑性物質、好ましくはポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、及びそれらの混合物、並びにゴム、ポリオレフィン、フェノール、交差結合フェノール樹脂、セルロース、ガラス、又はそれらの組み合わせ等の多孔物質から形成することができる。
(1)電気的抵抗の低下− 負側横リブのプロファイル設計によって、横断方向の曲げ剛性を同等に維持又は増大しつつ質量を除去することができるので、観察される電気的抵抗は好ましくは低くなる。
(2)割れの伝播の最小化− セパレータが過度に酸化すると、バックウェブに亀裂又はひびが生じ、主要な長手方向リブに並行に延出する可能性がある。負側横リブは、例えばリブの余分な質量のため、かかる割れの伝播を阻止すると好ましい。
(3)側面整合− 組立てプロセスにおいて、ストラップを与えて正極及び負極をそれぞれ接続する前に、包んだ板を水平方向及び垂直方向に整合する。垂直方向の整合では、正側リブが、セパレータ及び板が相互に接触した際にスライドする手段を提供する。典型的な側面の整合では、負側板が平坦なバックウェブに接触するとスライドすることができる。負側の横断方向リブは、与える表面が小さく、側面整合動作を促進することが好ましい。
新規の又は改良された鉛酸電池は、好ましくは、負極から離間した正極を収容する筐体を含むことができ、正極と負極との間に多孔セパレータが位置し、正極と負極との間に電解質がイオン連通し、筐体、セパレータ、正極、負極、及び電解質の少なくとも1つが、少なくとも1つの天然又は合成のヒドロキシアパタイト鉱物を含む。
新規の又は改良された鉛酸電池は、好ましくは、負極から離間した正極を収容する筐体を含むことができ、正極と負極との間に多孔セパレータが位置し、正極と負極との間に電解質がイオン連通し、筐体、セパレータ、正極、負極、及び電解質の少なくとも3つが、少なくとも1つの天然又は合成のヒドロキシアパタイト鉱物を含む。
少なくとも選択した実施形態によれば、ISS鉛酸電池セパレータにPIMS鉱物を組み込むこと、好ましくは魚骨から得たPIMS鉱物を組み込むことによって、鉛の低減を達成する。
負側横リブ、3:1よりも大きいシリカ対ポリマー比、及び充填物コンポーネントとして1つ以上のPIMS鉱物の少なくとも1つを有するISS電池セパレータ。
1つ以上の魚骨又は魚粉充填物を有する上記のISS電池セパレータ。
セパレータが、シリカ充填物の少なくとも一部を置換した魚骨又は魚粉充填物を有するシリカ充填ポリエチレン電池セパレータである、上記のISS電池セパレータ。
ISS電気システムにおいて、上述の電池を含む改良。
電荷受容、電力送出、水和短絡の低減、サイクル・ライフの改善、及び酸の層形成の低減を同時に最適化した多数のセパレータ・プロパティを有するISS電池セパレータ。
ISS鉛酸電池において、上述のセパレータを含む改良。
ISS車両において、上述の電池を含む改良。
a.低いか又は更に低い電気的抵抗(ER)− 以下の方法によるセパレータERの最小化:
ii.シリカ対ポリマー比の増大− ポリマー含有量に対するシリカ投入を増大し、約3.0/1.0から5.0/1.0のシリカ対ポリマー比を有する、
b.ガス閉じ込めの最小化− ガス閉じ込めの可能性を低減させる:
i.積層構造及び修正− ガス閉じ込めを低減するための修正した積層構造、
2.泡領域を凝固させ、積層物マトリクスを逃がすことを可能とするための穿孔、
3.凝集剤の追加、
4.形成中の積層物の構造の変更、
5.積層構造に対するポリマー繊維及び/又は整形ポリマー繊維の追加、
6.湿潤剤(又は界面活性剤)の追加、
7.ガス泡が構造に付着する可能性を低くするような積層物の繊維構造上の方位の変更、
8.単に泡付着の場所を少なくするような構造の厚さの最小化、
iii.セパレータの横リブ(負側及び/又は正側)− ガス泡の凝集又は移動を促進し、ガスが板間から逃げることを可能とするため、又はガス閉じ込めの可能性を低下させるため、小さい負側横リブを有する、
1.プロファイル形状(粗さ)− ガス凝集を増大させるためにセパレータの表面上にナノ構造を追加し、かかるナノ構造は、角錐、山形、又は柱の形態を取ることができ、カレンダー、レーザ除去、又は制御された化学的酸化によって形成可能である、
a.共通イオン効果− セパレータ・マトリクス及び/又は積層物材料内に(含浸によって等で)硫酸ナトリウムを組み込む、
i.薄いバックウェブ− 横リブの追加(好ましくは上述のような負側横リブ)、多孔率の増大、又はセパレータのリブ質量の低減によってバックウェブ(BW)厚さを縮小する、
ii.のこぎり状/頂銃眼リブ− リブから質量を除去するためにのこぎり状又は頂銃眼リブ設計を用いる、
a.積層構造− 正側グリッドに正側活性質量を保持するために積層物を利用する、
i.ガラス・マット− 圧縮厚が0.1mmから1.0mmの範囲である、異なる繊維長及び幅を有するガラス・マットを利用する、
ii.合成不織物− 不織物ポリマー・マット、ポリエステル・マットを利用する、
b.プロファイル選択− プロファイル設計選択による酸変位の低減に寄与し、リブ高を小さくしたか、リブを狭くしたか、又は頂銃眼リブを用いた密なリブ間隔を有するプロファイルを用いる、
d.圧縮− Iビーム・リブ・プロファイル等、サイクル・ライフを向上させるために、圧縮性、可撓性、又は弾力性のリブ構造を用いる、
a.プロファイル選択− セパレータの表面全体に水平方向のリブを組み込む、
b.積層構造− ポリエチレン・セパレータに取り付けた積層構造を追加し、物質全体で、あるパターンに繊維を整合し、ポリエチレン・セパレータの正側及び負側の面の双方に積層構造を追加する、
d.酸の固定化− 酸を適切な位置に保持する傾向がある横リブを有することで酸を固定化し、積層物及び/又はセパレータ表面上にシリカ層を追加し、又は酸を「ゲル化」するために積層物にシリカを追加し、又はDaramic AJS技術を利用する、
負側横リブを有する上述のセパレータ。
鉛酸電池において、上述のセパレータを含む改良。
Claims (14)
- 負側横断リブ、3:1よりも大きいシリカ対ポリマー比のシリカ及びポリマー、及び充填物コンポーネントとして1つ以上のPIMS鉱物の少なくとも1つを有するISS電池セパレータ。
- 1つ以上の魚骨又は魚粉充填物を有する請求項1に記載のISS電池セパレータ。
- 前記セパレータが、前記シリカ充填物の少なくとも一部を置換した前記魚骨又は魚粉充填物を有するシリカ充填ポリエチレン電池セパレータである、請求項2に記載のISS電池セパレータ。
- 請求項1に記載のISS電池セパレータを含む液式鉛酸電池。
- 請求項4に記載の電池を含むISS電気システム。
- 電荷受容、電力送出、水和短絡の低減、サイクル・ライフの改善、及び酸の層形成の低減を同時に最適化した多数のセパレータ・プロパティを有するISS電池セパレータ。
- 請求項6に記載のセパレータを含むISS鉛酸電池。
- 請求項7に記載の電池を含むISS車両。
- 以下の改良、特性、変更、修正、強化、性能、特徴、プロファイル、形状、構成、構造、部分、属性、空間、厚さ、比率、配合、混合、配合物、添加物、薬剤、コーティング、層、積層物、マット、不織物、表面、含有物、効果、実施形態、又は実施例の少なくとも3つを含む電池セパレータであって、
(5)電荷受容/電力送出− 電荷受容/電力送出の増大を促進するためのセパレータの特性又は変更、
a.低いか又は更に低い電気的抵抗(ER)− 以下の方法によるセパレータERの最小化、
i.より小さいバックウェブ(BW)厚さ− 前記BW厚さを75から150ミクロン間に縮小し、次いで負側横断リブを用いることで横断方向の剛性を強化することによって、150から250ミクロン間の範囲である典型的な値から前記BW厚さを縮小する、
ii.シリカ対ポリマー比の増大− 前記ポリマー含有量に対するシリカ投入を増大し、約3.0/1.0から5.0/1.0のシリカ対ポリマー比を有する、
iii.超高オイル吸収(高表面積)シリカ(多孔率の増大)− 高表面積のシリカを含み(例えば>200g/m2)、これによって典型的には高オイル吸収が得られ、孔形成剤の量は押し出しプロセスにおいて重量で約70から80%である、
b.ガス閉じ込めの最小化− ガス閉じ込めの可能性を低減させる、
i.積層構造及び修正− ガス閉じ込めを低減するための修正した積層構造、
1.ガス泡を剥離させる表面エネルギを修正するための化学物質又はプラズマによる前記積層物の処理、
2.泡領域を凝固させ、前記積層物マトリクスを逃がすことを可能とするための穿孔、
3.凝集剤の追加、
4.形成中の前記積層物の構造の変更、
5.前記積層構造に対するポリマー繊維及び/又は整形ポリマー繊維の追加、
6.湿潤剤(又は界面活性剤)の追加、
7.ガス泡が前記構造に付着する可能性を低くするような前記積層物の繊維構造上の方位の変更、
8.単に泡付着の場所を少なくするような前記構造の厚さの最小化、
ii.湿潤剤の選択− より疎水性の湿潤剤の使用、エトキシル化脂肪アルコールを用いる、
iii.セパレータ横断リブ(負側及び/又は正側)− ガス泡の凝集又は移動を促進し、前記ガスが板間から逃げることを可能とするため、又はガス閉じ込めの可能性を低下させるため、小さい負側横断リブを有する、
iv.ガスの凝集− ガス泡が迅速かつ効率的に成長して、前記セパレータから解放されて前記板間の領域から出るまでになるための凝集場所として作用する前記セパレータ上の領域を有する、
1.プロファイル形状(粗さ)− ガス凝集を増大させるために前記セパレータの表面上にナノ構造を追加し、かかるナノ構造は、角錐、山形、又は柱の形態を取ることができ、カレンダー、レーザ除去、又は制御された化学的酸化によって形成可能である、
2.添加物− 前記セパレータのマトリクス内(又は表面上)に添加物を組み込んで、それらが表面構造又はエネルギを変更させて臨界体積まで発生した小さいガス泡の凝集を促進する領域を前記表面上に提供し、前記添加物は炭素繊維、カーボン・ナノチューブ、又は硫酸バリウムとすることができる、
(6)水和短絡(妨害、遅延、低減、排除)− 水和短絡を妨害するために電解質に硫酸ナトリウムを追加する、又は
c.共通イオン効果− 前記セパレータ・マトリクス及び/又は積層物材料内に(含浸によって等で)硫酸ナトリウムを組み込む、
d.重金属封鎖− アパタイト、ヒドロキシアパタイト鉱物、すりつぶした魚粉、ゼオライト、リグニン、ラテックス、又はゴム誘導体を前記セパレータ内に(又は前記セパレータ表面上に、前記積層物質内に、前記電解質内に、前記電池ケース内に等)組み込むことによって溶液内にある鉛イオンを封鎖して水和短絡形成を妨害する、
e.添加物の配置− 前記セパレータの前記マトリクス内に(好ましくは前記シリカの一部を置換する充填物として)、前記セパレータ上にコーティングして、前記積層構造上にコーティング又は前記積層構造内に含ませて、射出成形プロセスの前又は後のいずれかに前記電池ケースの容器上にコーティングして、又は前記電解質又は積層構造内の多孔バッグ又は小袋に配置して添加物を有する、
f.より低いか又は低減させた酸変位− 以下を含むセパレータ修正による、
i.薄いバックウェブ− 横断リブの追加(好ましくは上述のような負側横断リブ)、多孔率の増大、又は前記セパレータのリブ質量の低減によって前記バックウェブ(BW)厚さを縮小する、
ii.のこぎり状/頂銃眼リブ− 前記リブから質量を除去するためにのこぎり状又は頂銃眼リブ設計を用いる、
(7)サイクル・ライフの改善− 以下のように前記セパレータを修正することによる
g.積層構造− 正側グリッドに正側活性質量を保持するために積層物を利用する、
i.ガラス・マット− 圧縮厚が0.1mmから1.0mmの範囲である、異なる繊維長及び幅を有するガラス・マットを利用する、
ii.合成不織物− 不織物ポリマー・マット、ポリエステル・マットを利用する、
iii.ハイブリッド− ガラス繊維をポリマー繊維と混合したハイブリッド・マットを利用する、
h.プロファイル選択− プロファイル設計選択による酸変位の低減に寄与し、リブ高を小さくしたか、リブを狭くしたか、又は頂銃眼リブを用いた密なリブ間隔を有するプロファイルを用いる、
i.ポリアスパラギン酸− 前記セパレータの前記マトリクスに直接、又は前記セパレータ上にコーティングして、前記積層構造上にコーティング又は前記積層構造内に含ませて、射出成形プロセスの前又は後のいずれかに前記電池ケースの容器上にコーティングして、又は前記電解質又は積層構造内の多孔バッグ又は小袋に配置して、ポリアスパラギン酸を追加する、
j.圧縮− Iビーム・リブ・プロファイル等、サイクル・ライフを向上させるために、圧縮性、可撓性、又は弾力性のリブ構造を用いる、
(8)酸の層形成− 前記電池がある程度過充電されると、水の電気分解が促進される、又は
k.プロファイル選択− 前記セパレータの前記表面全体に水平方向のリブを組み込む、
l.積層構造− 前記ポリエチレン・セパレータに取り付けた積層構造を追加し、前記物質全体で、あるパターンに前記繊維を整合し、前記ポリエチレン・セパレータの正側及び負側の面の双方に積層構造を追加する、
m.表面積− 前記セパレータ構造の表面積を増大させ、前記積層構造の繊維直径を縮小し、又はシリカのタイプ又は濃度によって前記セパレータの内表面を増大させる、多孔率を上昇させる、横断リブを有する、
n.酸の固定化− 前記酸を適切な位置に保持する傾向がある横断リブを有することで前記酸を固定化し、前記積層物及び/又はセパレータ表面上にシリカ層を追加し、又は前記酸を「ゲル化」するために前記積層物にシリカを追加し、又はDaramic AJS技術を利用する、
o.ポリエチレン/吸収性ガラス・マット・ハイブリッド− AGMセパレータ内部又はその一方側上に平坦なPEセパレータ膜を組み込む、
p.他の積層物ハイブリッド− 許容可能なセパレータを形成するために、平坦なPEセパレータ膜と関連付けた不織物又は他のガラス・マットで、他の積層システムを利用する、電池セパレータ。 - 負側横断リブを有する請求項9に記載のセパレータ。
- 請求項10に記載のセパレータを含む鉛酸電池。
- ディープ・サイクル、ISS、又はマイクロ・ハイブリッド・セパレータから選ばれる電池セパレータであって、酸の層形成を最小限に抑えるのに役立ち、従来のセパレータよりも占有する体積が約15%小さく、負側横断リブを有し、水平方向に多数の小さい小型リブを有し、酸勾配が生じることを防止する機械的バリアを有し、重い酸が下方に流れるのを防ぐ数百の小型ダムを有し、電極表面全体で均一に数百の小型の酸のプールを生成する数百の小型ダムを有し、マイクロ・ハイブリッド電池等において電力送出を向上させると共に酸の層形成を低減する特性の少なくとも2つを含む電池セパレータ。
- シリカ充填物の少なくとも一部を少なくとも1つのPIMS鉱物で置換することを含むシリカ充填電池セパレータの製造方法。
- 少なくとも1つのPIMS鉱物を利用した重金属除去機能を有するセパレータ、コンポーネント、又は組成物、
少なくとも1つのPIMS鉱物を利用した重金属除去機能を有する電池ケース、電池部品、多孔バッグ、積層物、不織物、マット、紙、コーティング、表面、イン・モールド、充填物、電極、電極配合物、電解質、ポリマー組成物、又は樹脂組成物、
少なくとも1つの充填物コンポーネントとして少なくとも1つのPIMS鉱物を利用した重金属除去機能を有するポリマー又は樹脂組成物;シリカ充填物を少なくとも部分的に置換するものとして与えられた少なくとも1つのPIMS鉱物を有するシリカ充填微小孔鉛酸電池セパレータ、
シリカ充填物を少なくとも部分的に置換するものとして与えられたすりつぶした魚粉を有するシリカ充填微小孔ポリエチレン鉛酸電池セパレータ、又はそれらの組み合わせの少なくとも1つを含む鉛酸電池。
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